CN105953742A - 基于未知环境检测的3d激光扫描仪 - Google Patents

Abstract

本发明提出了基于未知环境检测的3D激光扫描仪，包括线性红外激光器、摄像头、单片机及光学转台；待测物体放置在光学转台上，单片机用于控制光学转台的旋转方向和旋转速度；线性红外激光器照射待测物体，摄像头拍摄待测物体上的激光光点；从摄像头拍摄的画面中计算出激光光点的坐标信息，根据激光光点的坐标信息进行激光三角测距计算激光光点到激光器的距离，最后获取激光光点的3D坐标，得到物体的全局点云坐标点。本发明在勘测地形场景时使用线性红外激光器，扩大了使用范围和提升了扫描的精度，能应用在复杂环境条件下的勘测。

Description

基于未知环境检测的3D激光扫描仪

技术领域

本发明涉及3D激光技术，具体涉及基于未知环境检测的3D激光扫描仪。

背景技术

目前现有技术使用2D激光雷达进行改造和kinect来实现场景的扫描。Kinect是由微软开发的一个周边设备。有三个镜头，中间的镜头是RGB彩色摄影机，用来采集彩色图像。左右两边镜头则分别为红外线发射器和红外线CMOS摄影机所构成的3D结构光深度感应器，用来采集深度数据(场景中物体到摄像头的距离)。2011年微软研究院为了实现Kinect的三维重建，推出了Kinect Fusion项目。相比于简单的三维点云拼接，该项目支持GPU加速，快速便捷。

2D激光雷达虽然在相同的激光器输出功率下扫描距离更远，但由于需要控制额外自由度的转轴，其误差可能较大，同时扫描速度也略低。这类激光雷达产品目前在各类实验室、工业应用场景中出现的比较多。而对于kinect来说，它的成像分辨率和测距精度相比激光雷达而言低了不少，同时无法在室外使用。

发明内容

为了解决现有技术使用场景受限、扫描精度低的问题，本发明提出基于未知环境检测的3D激光扫描仪，在勘测地形场景时使用线性红外激光器，扩大了使用范围和提升了扫描的精度，能应用在复杂环境条件下的勘测。

本发明采用如下技术方案来实现：基于未知环境检测的3D激光扫描仪，包括线性红外激光器、摄像头、单片机及光学转台；待测物体放置在光学转台上，单片机用于控制光学转台的旋转方向和旋转速度；线性红外激光器照射待测物体，摄像头拍摄待测物体上的激光光点；从摄像头拍摄的画面中计算出激光光点的坐标信息，根据激光光点的坐标信息进行激光三角测距计算激光光点到激光器的距离，最后获取激光光点的3D坐标，得到物体的全局点云坐标点。

优选地，所述激光光点的坐标信息计算方法为：首先识别并确定激光光点，然后确定激光光点中心的精确位置，作为激光光点的坐标。

优选地，所述激光光点到激光器距离由如下公式求得：

q＝fs/x

d＝q/sin(β)

其中，β表示激光器夹角，s表示激光器中心与摄像头中心点距离，f表示摄像头的焦距，x是待测物体上激光光点在摄像头感光元件上的成像到一侧边缘的距离。

与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：

激光扫描仪通过三角形测距法建构出3D图形：通过一字线性激光器和光学转台，以及单片机STM32等硬件设备，对待测物发射出一字线性激光。扫描仪的摄像头和激光器可以测量待测物的表面到激光的距离，找到激光的光斑两点，通过一系列的校准和参数调整，通过测距获得点云数据，将这些点云数据导入计算机，实时显示出其三维结构，也可以通过软件重建转换成3D模型。

附图说明

图1是本发明3D激光扫描仪的控制结构图；

图2为三角测距原理；

图3示意了3D测距原理；

图4为3D点坐标的计算。

具体实施方式

为了更加清楚地描述本发明，以下结合具体的实施例和附图，对本发明技术方案进行清楚、完整的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

参见图1，本发明基于未知环境检测的3D激光扫描仪主要包括红外激光器、摄像头、单片机及光学转台。摄像头上设有红外滤光片，待测物体放置在光学转台上，单片机用于控制光学转台的旋转方向和旋转速度。

在扫描的过程中从摄像头拍摄的画面中计算出激光光点的坐标信息，过程如下：识别并确定激光光点，排除干扰；然后确定光点中心的精确位置，作为光点的坐标。为此，本实施例配合曝光率控制，增加激光器发射功率，从而足以使得画面中仅保留激光光点，例如使用200mw功率的激光器。本实施例还在摄像头上加装红外滤光片，通过使用滤光片的做法，仅保留激光器发射波长的光线进入，从而可以在一定程度上避免光线干扰。激光器采用一字线性红外激光器，配合红外滤光片，可以有效滤除来自诸如日光灯等的干扰。

由于采用加装滤光片和增加激光器功率的方式来识别激光光点，排除干扰，所以在一般状态下，可以通过求出摄像头画面中最亮点的方式获取激光光点。对于确定光点中心的精确位置，则可采用简单的线性插值和求质心的手段。

计算出光点的坐标信息后，进行激光三角测距，计算激光光点到激光器的距离。随着待测物与激光器距离的不同，激光光点在摄影头画面中的位置亦有所不同。激光光点、摄影机与激光器本身构成一个三角形。在这个三角形中，激光器与摄像头的距离，以及激光器在三角形中的角度，是已知的条件。通过摄影头画面中激光光点的位置，我们可以决定出摄影头位于三角形中的角度。这三项条件可以决定出一个三角形，并可计算出待测物与激光器之间的距离。三角测距的原理如图2所示，β表示激光器夹角，s表示激光器中心与摄像头中心点距离，f表示摄像头的焦距。在这些参数已知后，激光光点到激光器距离可由如下公式求得：

q＝fs/x (1)

d＝q/sin(β) (2)

x是待测物体上激光光点在摄像头感光元件上的成像到一侧边缘的距离。

对线状激光器进行测距的问题，可以转化为前面单点激光测距的计算问题。对于图3中的激光线条，算法将按照Y轴依次计算出当前Y轴高度下，激光光斑的X坐标值px。并尝试通过先前的算法求出该点的距离。

计算出激光光点到激光器的距离后，可以获取这个激光光点的3D坐标，从而构造环境的3D点云。具体方式如下：

由于使用扫描的方法，所得到的坐标计算要加上当前的旋转角度：

x＝d*cos(θ)*sin(ɑ+λ)；

y＝d*cos(θ)*cos(ɑ+λ)；

z＝d*sin(θ)；

(x,y,z)为当前点的3D坐标，ɑ、θ对应图4坐标的计算，而λ是光学转台当前旋转的角度。

本发明工作时，先打开一字线性激光器，将待测物体放在光学转台上，通过单片机STM32来设定光学转台的旋转速度和方向，最终角度设为180°，以0.5°的角增量，顺时针旋转。然后将激光照射待测物体，打开摄像头，查找待测物上的激光光点。通过三角测距测出物体上每条线到激光器的实际距离，并根据实际距离获得3D坐标，由此可以得到物体的全局点云坐标点。将这些点云数据导入计算机，实时显示出其三维结构，也可以通过软件重建转换成3D模型。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于未知环境检测的3D激光扫描仪，其特征在于，包括线性红外激光器、摄像头、单片机及光学转台；待测物体放置在光学转台上，单片机用于控制光学转台的旋转方向和旋转速度；线性红外激光器照射待测物体，摄像头拍摄待测物体上的激光光点；从摄像头拍摄的画面中计算出激光光点的坐标信息，根据激光光点的坐标信息进行激光三角测距计算激光光点到激光器的距离，最后获取激光光点的3D坐标，得到物体的全局点云坐标点。

2.根据权利要求1所述的3D激光扫描仪，其特征在于，所述摄像头上设有红外滤光片。

3.根据权利要求1所述的3D激光扫描仪，其特征在于，所述线性红外激光器的功率为200mw。

4.根据权利要求1所述的3D激光扫描仪，其特征在于，所述激光光点的坐标信息计算方法为：首先识别并确定激光光点，然后确定激光光点中心的精确位置，作为激光光点的坐标。

5.根据权利要求1所述的3D激光扫描仪，其特征在于，所述激光光点到激光器距离由如下公式求得：

q＝fs/x

d＝q/sin(β)

其中，β表示激光器夹角，s表示激光器中心与摄像头中心点距离，f表示摄像头的焦距，x是待测物体上激光光点在摄像头感光元件上的成像到一侧边缘的距离。

6.根据权利要求1所述的3D激光扫描仪，其特征在于，所述光学转台以0.5°的角增量顺时针旋转。